DE3929077A1 - Verfahren und einrichtung zur akustischen identifikation und klassifikation von hubschraubern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bpw. des Anspruchs 2. Eine der­ artige Erfindung ist bisher aus Veröffentlichungen noch nicht bekannt.

Mit der Einführung von Kampfhubschraubern ist für zukünftige Ver­ teidigungskampfhandlungen eine neue wesentliche Bedrohung ent­ standen.

Die besondere Gefährlichkeit dieser Waffenart ergibt sich aus deren Fähigkeit ganz besonders tief fliegen zu können und vor­ zugsweise hinter Baumgruppen oder anderen Hindernissen Deckung zu nehmen.

Wegen dieser Hindernisse versagen bisher favorisierte Aufspür­ techniken wie Mikrowellen-Radar oder Infrarot-Darstellung. Eine über die einfache Detektierung hinausgehende Identifizierung, um welches Hubschraubermuster es sich handelt, ist bisher gänz­ lich unmöglich.

Der für diese Techniken wegen der verwendeten kurzen Wellenlängen benötigte Sichtkontakt zum aufzuklärenden Objekt ist nicht mehr notwendig, wenn die Frequenzebene, die zur Detektion z.B. eines Hubschraubers dienen soll, in die des Schalls gelegt wird (hier vorzugsweise in den Bereich des Infra- und Hörschalls).

Hinderlich war bisher der Anwendung dieses Frequenzbereiches, daß bei einer Aufnahme eines Schallereignisses dieses nur schwer oder gar nicht aus einer lauten und vielfältigen Lärmumgebung heraus­ gehört werden konnte.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung bestimmter, von einem Mikrocomputer dargestellter Funktionselement, die Selektierbarkeit eines Hubschraubtyps aus einem undefinierten Frequenzgemisch heraus, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Ein­ richtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 mittels eines, die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches beinhaltenden Datenverarbeitungsprogramms, so gesteuert wird, daß die gattungsgemäßen Maßnahmen entsprechend erweitert wer­ den.

Im einzelnen wurden dazu zwei speziell aufgebaute Mikrocomputer­ systeme so von einem in einem permanenten Speicher abgelegten Programm gesteuert, daß entsprechend dem Verfahren nach An­ spruch 1 von einem Mikrophon empfangener Schalldruck, der von verschiedenen Signalquellen, u. a. auch von einem Hubschrauber, ausgesendet sein kann, nach einer Digitalisierung in die Fre­ quenzebene transformiert wird um hieraus eine Leistungsspektrum­ berechnung durchzuführen.

Programmgemäß wird durch ein geeignetes Verschieben der Y-Achse des Leistungsspektrums, der positive Betrag hiervon gebildet.

Danach wird durch die lokalen Mittelwerte dieses Spektrums eine Ausgleichsfunktion gelegt, die die neue Null-Linie des hier so­ genannten Differenzleistungsspektrum bildet.

Dazu wird die Differenz, Leistungsspektrum minus Ausgleichs­ funktion, errechnet, welches die zur Klassifikation notwendigen Merkmalskomponenten beinhaltet.

Da die für die Schallquelle charakteristischen Frequenzinforma­ tionen als Modulation der situationsabhängigen lokalen Mittel­ werte im Differenzleistungsspektrum enthalten sind, wird es als das für den Klassifikations-Identifikationsvorgang notwendige Spektrum betrachtet, welches werter zu bearbeiten ist.

Nachdem das Differenzleistungsspektrum (DLS) zur Grundlage der eigentlichen Klassifikation definiert worden ist, werden aus diesem die Merkmalkomponenten extrahiert.

Diese Weiterverarbeitung soll dabei die für die Klassifikation grundlegenden Eigenschaften der Spektren berücksichtigen, bzw. noch besser hervorheben. Aus diesen Gründen bietet sich die Be­ rechnung der Frequenzabstände des DLS an, da in deren Häufig­ keiten die etwaigen Harmonischen einer Frequenz berücksichtigt werden. Die in den Leistungsspektren von Hubschraubern signi­ fikant hohe Anzahl der Harmonischen der Hauptrotor- und Heck­ rotorfrequenzen weist in der Häufigkeitsverteilung der Frequenz­ abstände ein für Hubschraubersignals typisches Bild auf.

Anders als bei den üblichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen wur­ den dabei aber nicht die Summen aller Wahrscheinlichkeiten (Amplituden des DLS) einem bestimmten Frequenzabstandswert zuge­ ordnet, sondern noch eine Wichtungsoperation durchgeführt.

Um stark verrauschten Spektren ein möglichst effizientes Wahr­ scheinlichkeitsdiagramm abzugewinnen, werden dabei die Ampli­ tuden der zu den jeweiligen Frequenzabständen gehörigen Dif­ ferenzleistungswerte miteinander multipliziert und ihre Pro­ dukte auf die jeweilige Wahrscheinlichkeit, wie sie im Frequenz­ intervall im DLS zu finden ist, aufsummiert, wodurch eine Hervor­ hebung der periodischen oberwellenbehafteten Geräuschteile ge­ genüber dem stochastischen Hintergrundrauschen erreicht wird.

Für die numerische Berechnung der multiplikativen Häufigkeits­ verteilung wird dabei die folgende Vorgehensweise gewählt:
Ausgehend vom kleinsten auflösbaren Frequenzabstand bildet das Programm das Produkt der zu diesem Frequenzabstand gehörenden Amplituden, verschiebt das Frequenzintervall um eine Abstands­ länge, bildet wieder das Amplitudenprodukt und verfährt so fort, bis das gesamte Spektrum durchlaufen ist. Anschließend erfolgt programmgemäß eine Addition der errechneten Produkte und Zuord­ nung zum kleinsten Frequenzabstandswert. Im nächsten Schritt wird der Frequenzabstandswert um eine Auflösungseinheit er­ höht und die Berechnung der Produktsumme für diesen Frequenz­ abstand wie die für den kleinsten Frequenzabstand wiederholt. Sukzessive entsteht schließlich ein Diagramm, indem die ver­ schiedenen Frequenzabstände gegen deren Produktsummen aufge­ tragen sind. Die Ordinateneinheit ist dabei (Hz), die Ab­ zisseneinheit eine Häufigkeit in (log. Ein.) ².

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden dabei nur die positiven Amplitudenprodukte berücksichtigt und als maxi­ maler Frequenzabstandswert 200 Hz gewählt. Diese spezielle Häufigkkeitsverteilung wird als Grundlage des Klassifikations­ vorganges unter der Bezeichnung "multiplikativ gewichtete Fre­ quenzabstandshäufigkeitsverteilung des Differenzleistungsspek­ trums" (Kurzbezeichnung mFD-Spektrum) laut Verfahren weiterbe­ nutzt.

Aus Prinzip tauchen im mFD-Spektrum auch immer die Harmonischen der Produktsummen auf, wobei deren Amplituden durch die geringere Anzahl der sie bildenden Summanden mit steigender Harmonischen­ ordnung bei nicht zu großer Relativ-Geschwindigkeitskomponente des Systems Sensor-Geräuschquelle natürlich fallen müssen. Ist dieses nicht der Fall, so existieren im Schallspektrum zwei unter­ schiedliche Schallquellen, wobei die eine gerade mit einem ganz­ zahligem Vielfachen der Grundfrequenz der niederfrequenteren schwingt.

Anhand des mFD-Spektrums wäre die Klassifizierung "Hubschrauber" bzw. "nicht Hubschrauber" möglich, weil zwei verschiedene Lärm­ quellen im Spektrum auftauchen, nämlich die des Hauptrotors und die des Nebenrotors. Um die Klassifizierung aber effizienter zu machen, liegt eine Weiterverarbeitung des mFD-Spektrums nahe. Ziel dieser Weiterverarbeitung soll dabei erst einmal sein, die eigentlichen Lärmquellen, bzw. ihre Grundfrequenzen aus dem mFD-Spektrum zu extrahieren.

Da alle Hubschrauber zur Vermeidung von Resonanzen Heckrotorfre­ quenzen aufweisen, die nicht einer Harmonischen der Hauptrotor­ frequenzen entsprechen, wird die Häufigkeitsverteilung (das mFD- Spektrum) so weiterverarbeiten, daß nur noch die eigentlichen Grundfrequenzen der Lärmquellen dargestellt werden, ohne das die eventuelle Heckrotorfrequenz anhand eines erhöhten mFD-Am­ plitudenwertes ermittelt werden müßte (hierbei ist natürlich eine Frequenzauflösung vorausgesetzt, die gering genug ist, diese Unterschiede noch zu berücksichtigen). Die eventuell im­ mer noch vorhandene Unterdrückung der eigentlichen Haupt- bzw. Nebenrotorfrequenz zugunsten einer ihrer Harmonischen wird in diesem Verarbeitungsschritt dabei noch einmal berücksichtigt und behoben. Dies ist bei einer hohen Relativ-Geschwindigkeits­ komponente des Systems Sensor-Geräuschquelle der Fall.

Diese Weiterverarbeitung geschieht so, daß aus dem Häufigkeits­ diagramm mFD ein weiteres Häufigkeitsdiagramm (Häufigkeitsdia­ gramm zweiter Stufe) gebildet wird, in dem alle Amplitudenwerte der Harmonischen des Frequenzabstandes Δ f_i auf den Amplituden­ wert von Δ f_i aufsummiert und die Amplitudenwerte der Harmo­ nischen im Spektrum gleich Null gesetzt werden.

Dadurch gelangt man zu einem Spektrum, das nur noch die Grund­ frequenzen (repräsentiert durch die Frequenzabstände zwischen den Harmonischen) der Lärmquelle enthält und auf das die Prüf­ vorschrift "Hubschrauber"/"nicht Hubschrauber" angewendet wer­ den kann.

Anhand der aus diesem Spektrum ermittelten Frequenzen werden die detektierten Haupt- und Heckrotorfrequenzen definiert.

Für Identifikation der Hubschraubertypen ist das genaue doppler­ unabhängige Verhältnis zwischen Hauptrotor- und Heckrotorfrequenz notwendig. Dabei muß dieses Verhältnis möglichst genau bestimmt werden, da sich bei einigen Hubschraubertypen die Drehzahlen für beide Rotoren und damit auch ihr Verhältnis nur sehr geringfügig voneinander unterscheiden.

Nimmt man z.B. eine UH-10 und eine HIND, so liegen die Dif­ ferenzen zwischen diesen Frequenzen bei der verwendeten Meßein­ richtung unter der Auflösung des Fourieranalysators, so daß eine Identifizierung nur anhand des Frequenzspektrums a priori unmöglich erscheint. Um die beiden Hubschraubertypen dennoch voneinander zu unterscheiden, können aber die Oberwellen der von den Rotorblättern erzeugten Schwingungen, die mit dersel­ ben Auflösung wie die Grundwelle erfaßt werden, ausgewertet werden. Da man bei der Division der Frequenz dieser Oberwelle durch ihre Ordnung immer die Frequenz der Grundwelle erhält, werden daher selbst Grundfrequenzen detektiert, deren Wert unter der Auflösung des verwendeten Systems liegt.

Um in diesem Verfahren eine Grundschwingung nicht mit der ersten geraden Harmonischen zu verwechseln, wird bei der Erarbeitung der Frequenzabstandswahrscheinlichkeiten zweiter Stufe, der zu berech­ nende Frequenzabstand mit den Werten (0.1, 0.2, ... 0.5 mal der Auflösung) multipliziert und dieser Wert wiederum mit ganzzahli­ gen Vielfachen multipliziert.

Immer wenn ein ganzzahliges Vielfaches der unter der Auflösungsge­ nauigkeit liegenden Frequenz durch diese Multiplikation erzeugt wird, wird der zugehörige Amplitudenwert der gerade zu detek­ tierenden Frequenz (dem gerade zugehörige Frequenzabstand) zuge­ ordnet (aufsummiert), wodurch im Häufigkeitsdiagramm schließ­ lich die "wahre" Frequenz als die größte Histogrammhöhe erkenn­ bar wird.

Die Anwendung der eigentlichen der Klassifikation zugrundeliegen­ den Prüfvorschriften, spaltet sich in zwei Teilklassifikationen auf. Während die Klassifikation "Strahlflugzeug", "Panzer", "Maschinenkanone", "KFZ" als Teil der Oberklasse "nicht Hub­ schrauber" über das mFD-Spektrum erfolgt, kann die Klassifi­ kation "Motor", "Propellermaschine" ("Eisenbahn") als Teil der Oberklasse "nicht Hubschrauber" bzw. "Hubschrauber" nur anhand des Häufigkeitsdiagramms 2ter Stufe erfolgen.

Im mFD kommt ein Klassifikationsalgorithmus zur Anwendung, in dem die Breiten der Leistungsintervalle mit signifikant er­ höhter Leistung bestimmt und zur Auswertung herangezogen werden.

Prüfbedingung 1

Dazu läuft man mit einer Fensterfunktion über das gesamte mFD- Spektrum und bestimmt die Anfangs- und Endpunkte der erhöhten Leistungswerte. Die Differenz stellt dann den speziellen Meßwerte­ vektor dar, auf den die Prüfvorschrift so angewendet wird, daß das größte Intervall erhöhter Leistung im Bereich 0-100 Hz er­ mittelt wird und die Geräuschquelle als "nicht Hubschrauber" klassifiziert wird und wenn dieses Intervall größer dem Fre­ quenzwert 5 Hz ist und bei Nichtfilterung zur Berechnung des mFD-Spektrums an den nächsten Programmteil übergeben wird.

Die Klassifikation des mFD-Spektrums wird durch die Anwendung dreier weiterer Prüfvorschriften vollzogen.

Im einzelnen bedeutet dabei:

• i) die Anwendung der 2. Prüfvorschrift: Im Häufigkeitsspektrum mFD existiert nur ein signifikanter Frequenzabstandswert Δf. Dies entspricht der Aussage, daß die Harmonischen der vorherrschenden Grundfrequenz des betrachteten Spek­ trums nur eine geringe (2-3) Anzahl von Harmonischen hat, d. h. aber, daß das Signal als "nicht Hubschrauber (Motor)" zu klassifizieren ist. Unter ungünstigen Aufnahmesituationen (geringe Intensität der Lärmquellen, mehrere Lärmquellen) kann es vorkommen, daß ein Motor in dieser Verarbeitungs­ stufe noch nicht als "nicht Hubschrauber" zu klassifi­ zieren wird.
• ii) die Anwendung der 3. Prüfvorschrift, daß der häufigste Fre­ quenzabstandswert f und damit die als Hauptrotor in Frage kommende Frequenz über den Frequenzwerten (einschließlich der möglichen Dopplerverschiebung) der bekannten Hubschrau­ ber liegen. Es handelt sich dann meist um Strahlflugzeuge, so daß eine Klassifikation als "nicht Hubschrauber" er­ folgt.
• iii) die Anwendung der 4. Prüfvorschrift, daß die Linienbreite des häufigsten Frequenzabstandes f_i für eine Klassifika­ tion "Hubschrauber" zu breit ist, d. h. der Abfall der Am­ plituden oberhalb und unterhalb des häufigsten Frequenz­ intervalls f_i (und somit der wahrscheinlichen Hauptrotor­ frequenz) so langsam erfolgt, daß eine Klassifikation als "nicht Hubschrauber" erfolgen kann.

Erfolgte keine Klassifikation des mFD-Spektrums als "nicht Hub­ schrauber", so wird das mFD-Spektrum zur Berechnung des Häu­ figkeitsdiagramms 2ter Stufe an den nächsten Programmteil über­ geben.

Wurde das mFD-Spektrum nicht als "nicht Hubschrauber" klassifi­ ziert, so erfolgt seine weitere Verarbeitung zum Häufigkeitsdiagr. 2ter Stufe. Die beiden Ordinatenwerte der zwei größten Ampli­ tudenwerte werden dabei als Hauptrotor- und Heckrotorfrequenz angenommen und nach einem Test, der das Spektrum diese Werte auf ihre Signifikanz überprüft, einem Identifikationsteil übergeben.

Zu diesem Test gehört die Anwendung der Prüfvorschrift auf Signi­ fikanz des Signales (S/N-Verhältnis) was hier bedeutet, daß die beiden größten Amplitudenwerte mit dem Mittelwert aller im Häufigkeitsdiagramm 2ter Stufe vorhandenen Amplituden verglichen werden. Liegen die Amplituden der angenommenen Haupt- und Heck­ rotorfrequenz dabei nicht um den Faktor 1,5 über diesem Mittel­ wert, so wird das Spektrum als "zu Verrauscht" klassifiziert, d. h. der Klassifizierungsvorgang wird mit der Aussage "Sig­ nal ist nicht zu klassifizieren" abgebrochen (der Faktor 1,5 stellt dabei einen Erfahrungswert dar).

Liegt die Amplitude der angenommenen Heckrotorfrequenz unter dem Wert 1,5 - Mittelwert des Spektrums -, so wird das Signal vor­ läufig als "nicht Hubschrauber" klassifiziert, da es sich dann um einen zu kleinen Amplitudenwert für einen angenommenen Heck­ rotor handelt.

Mit diesem Klassifikationsschritt ist die erste "Verarbeitungs­ ebene" des Klassifikations-/Identifikationsverfahrens abgeschlos­ sen. Bei der Klassifikation "Hubschrauber" erfolgt ein Identi­ fikationsversuch, d. h. das Verfahren wird nicht gestoppt. Eben­ so wird bei einer zu niedrigen Heckrotoramplitude das Signal noch einmal nach der beschriebenen Art weiterverarbeitet.

Im Klassifikationsteil wurde ein beliebiges Geräusch als "Hub­ schrauber" bzw. "nicht Hubschrauber" klassifiziert. Erfolgte die Zuordnung des Signals zur Klasse der Hubschrauber, so wird das Häufigkeitsdiagramm 2ter Stufe einem weiteren Verfahrens­ schritt übergeben, in dem das Muster des Signals mit einem ge­ speicherten Lernmuster verglichen wird und ggf. einem bestimmten Hubschraubertyp zugeordnet wird. Nach erfolgter Identifikation ist es ferner möglich, auch aus einer einzelnen Aufnahme die Zuordnung "kommender Hubschrauber vom Typ x" oder "gehender Hubschrauber vom Typ x" zu treffen.

Grundlage der Hubschrauberidentifikation ist das dopplerunab­ hängige für jeden Hubschrauber charakteristische feste Verhält­ nis von der Hauptrotorfrequenz zur Heckrotorfrequenz. Dieses Verhältnis wird aus dem Häufigkeitsdiagramm 2ter Stufe errech­ net und einem Gedächtnisteil übergeben, der dann anhand seiner Lernmuster überprüft, ob das detektierte Verhältnis einem ge­ speicherten Verhältnis (Lernmuster) entspricht. Ist der Hub­ schrauber identifiziert, so wird verfahrensgemäß die Meldung "Hubschrauber des Typs x" angezeigt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird, bei bekannter Hauptrotorfrequenz, die Heckrotorfrequenz in bestimmten, durch die Lernmuster festgelegten Bereichen gesucht. Dadurch wird ver­ mieden, daß bei Aufnahmen mit mehreren Geräuschquellen, daß z. B. zwei verschiedene Hauptrotorfrequenzen als Haupt- und Nebenrotor­ frequenz ein und desselben Hubschraubers definiert werden.

Wurde ein mFD-Spektrum zwar als "Hubschrauber" klassifiziert, konnte aber nicht identifiziert werden, oder wurde die ermittel­ te Heckrotorfrequenz als zu verrauscht erkannt, wird in einem weiteren Verfahrensschritt versucht durch eine weitere Aufar­ beitung des mFD-Spektrums doch noch zu einer Identifikation zu gelangen. Grundgedanke der Weiterverarbeitung ist dabei entwe­ der eine andere Hauptrotorfrequenz zu definieren oder aber das mFD-Spektrum zu glätten, um einen nur sehr schwachen signifi­ kanten Signalanteil besser herauszuarbeiten.

In einem ersten Verfahrensschritt wird deshalb eine neue Haupt­ rotorfrequenz gesucht, bei der es sich meist um eine Harmonische der in der ersten Ebene als Hauptrotorfrequenz definierten Fre­ quenz handelt.

Führt dies auch zu dem Ergebnis "nicht identifizierbar", so wird das mFD-Spektrum mit der schon besprochenen Ausgleichsfunktion geglättet und das schon dann erhaltene geglättete mFD-Spektrum derselben Verarbeitung wie das DLS unterzogen.

Führen diese Verarbeitungsschritte nicht zu einer Identifi­ zierung, oder zu einer Klassifikation als "nicht Hubschrauber", so wird das Verfahren mit der Meldung "Hubschrauber unbekannter Identität" abgebrochen.

Im folgenden wird an Hand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsge­ mäße Einrichtung mit allen Funktionselementen,

Fig. 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsge­ mäße Lösung des Klassifikationsteils mit all seinen Funktions­ elementen,

Fig. 3 in einem vereinfachten Blockschaltbild die erfindungsge­ mäße Lösung des Identifikationsteils mit seinen Funktionsele­ menten.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt die erfindungsge­ mäße Einrichtung, die sich aus einem Mikrophon zum Empfang des den Sensor umgebenden Geräusche und weiteren Funktionselementen zusammengesetzt. Das Mikrophon 7 kann dabei von Rundum- auf Richtcharakteristik umgestaltet werden. Der Mikrophonsignal­ ausgang ist, gesteuert von einer Identifikationseinrichtung, an eine 1. Verarbeitungsstufe A gekoppelt die mindestens über die Funktionselemente: Schalter 0, Teil 1, Bandpaß 34, Analog/ Digitalwandler 2, einem Mikroprozessor 3, einem Zeitgeber 4, einem Taktgeber 5 und einem Schalter 6 im Datenbus an die fol­ gende Funktionsstufe B verfügt.

In dieser so gebildeten Funktionsstufe A erfolgt eine Fouriertrans­ formation vorzugsweise im Bereich 0-1600 Hz, für die Anwendung der Einrichtung zur Identifikation von anderen Objekten sind die jeweils angegebenen Frequenzen selbstverständlich entsprechend der Aufgaben veränderbar, mit 1 Hz Auflösung durchgeführt.

Ein anderer für die originäre Aufgabe der erfindungsgemäßen Ein­ richtung bevorzugter Bereich ist 0-800 Hz mit einer Auflösung von 0,5 Hz.

Der Mikroprozessor I, Funktionsteil 3, ist dabei per Programm so konditioniert, daß er die Fouriertransformation entsprechend durchgeführt und das Leistungsspektrum wie in der Erfindungs­ beschreibung erklärt, berechnet, welches per Programm dann zum Transfer zur Signalaufbereitung über den Schalter 1, Teil 6, an die der Funktionsstufe A folgende weitere Funktionsstufe B weiter­ gibt.

Die Funktionsstufe B verfügt über die Funktionselemente Mikropro­ zessor II 14, Datenbus 8, Zeitgeber 9, Taktgeber 10, Speicher für Leistungsspektrum (I) 11, für die gefundene Ausgleichskurve (II) 12 und für ein positiv logarithmisches Frequenzspektrum (III) 13. Per Programm ist die Stufe befähigt das Leistungsspektrum in positive Werte mit dB Skaleneinteilung der Y-Werte umzurechnen und durch das positive Leistungsspektrum eine Ausgleichskurve zu legen.

Weiter vollzieht diese Funktionsstufe B die Subtraktion Leistungs­ spektrum minus Ausgleichsfunktion, um hieraus das schon in der Be­ schreibung erläuterte multiplikativ gewichtete Frequenzdifferenz- leistungsspektrum zu bilden; welches zur Verwendung in dem Klassi­ fikationsteil 16 und Identifikationsteil 17 über den Schalter 2, Teil 15, an diese weitergegeben wird. Die ermittelten Daten die­ ser Funktionsteile wurde zur Information an eine ablesbare An­ zeigeeinrichtung 18 gegeben.

In Fig. 2 wird in einem vereinfachten Blockschaltbild der erfin­ dungsgemäße Aufbau des Klassifikationsteils 16 gezeigt. Dieser Teil wird aus den Funktionselementen Filter 2 für die Prü­ fung ≧ 6 Hz Teil 19, Filter 3 für die Prüfung ≦ 60 Hz, Teil 20, Filter 4 für die Verhältniswertprüfung der Werte 3, 3, 1,5, Teil 21, vorgestellten Schaltern 3, 4, 5 Teile 22, 23, 24, einer Anzeigeeinheit "nicht Hubschrauber" 25, einem Schalter 6, Teil 26, zur Signalweitergabe ein den Identifikationsteil 17 und einem Pro­ grammspeicher der den Mikroprozessor II 14 so steuert, daß er im Sinne des Verfahrens nach Anspruch 1 aus dem mFD die Breite der größten Amplitude ermittelt und diese über den Schalter 3, Teil 22, an den Filter 2, zur Prüfung der Frequenzlage größer gleich 6 Hz, Teil 19, gibt.

Bei nicht Filterung wird der Mikroprozessor II veranlaßt, daß die Lage der größten Amplitude im mFD berechnet wird, der Schalter 4, Teil 23 geöffnet wird und der Wert der Lage durch das Filter 3, Teil 20, auf kleiner gleich 60 Hz geprüft wird.

Bei nicht Filterung wird der Mikroprozessor II 14 veranlaßt, daß das Verhältnis der drei größten Amplituden des Intervalls (0-60) Hz des mFD-Spektrums gebildet wird, der Schalter 5, Teil 24, geöffnet wird und durch das Filter 5, Teil 21 die Verhältniswerte 3,3 und 1,5 überprüft werden. Bei nicht Filterung wird daraufhin das mFD-Spektrum an den Identifikationsteil 17 über den Schalter 6, Teil 26 zur weiteren Auswertung übergeben.

Bei Filterung der vorgenannten Signalprüfungen erscheint auf dem Anzeigenteil 25 als Ergebnis des Klassifikationsvorganges "nicht Hubschrauber" oder ein sinnentsprechender Wortlaut.

In diesem Fall werden auch alle Speicher gelöscht und das Empfangsmikrophon 7 für 1 Sec an den Eingang der Funktionsstufe A gegeben.

Die Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild den Indenti­ fikationsteil 17. Dieser Teil besteht aus den Funktionselementen Gedächtnisspeicher 27, einer alphanumerischen Anzeige 28, einem Filter zur Prüfung des gefundenen Haupt- zu Heckrotorfrequenzver­ hältnis auf den Wert kleiner gleich 1,6, Teil 29 und dem aus der Funktionsstufe II bekannten Mikroprozessor II mit zum Vollzug des Verfahrens nach Anspruch 1 in besonderen Speichern abgelegten Programm.

Per Programm wird der Mikroprozessor so gesteuert, daß er das Häu­ figkeitsdiagramm 2ter Stufe aus dem mFD ermittelt und es in einem Speicher ablegt.

Aus diesem Spektrum wird dann verfahrensgemäß das Verhältnis der beiden größten Amplituden ermittelt und der Schalter 6, Teil 30, geöffnet und das Verhältnis mit Filter 5, Teil 29, auf den Wert kleiner gleich 1,5 geprüft. Bei Nichtfilterung wird der Mikro­ prozessor veranlaßt, daß das Verhältnis der Frequenzwerte mit einem im Gedächtnisspeicher 27, abgelegten Verhältnis bekannter Hubschraubertypen verglichen wird.

Wenn eine Übereinstimmung festgestellt ist, wird der Identifika­ tionsname über Schalter 7, Teil 31, an die Anzeige 2 Teil 32 ge­ schaltet und entsprechend angezeigt.

Nach einer Zeitverzögerung und Auslösung einer Alarmglocke 33 wird ein Signal weiter an den Schalter 0, Teil 1 gegeben, um das Mikro­ phon 7 für 1 sec an den Eingang der Funktionsstufe A zu legen.

Bezugszeichenliste

 1 Schalter 0
 2 Analog/Digitalwandler
 3 Mikroprozessor I
 4 Zeitgeber A
 5 Taktgeber A
 6 Schalter 1
 7 Mikrophon
 8 Datenbus
 9 Zeitgeber B
10 Taktgeber B
11 Speicher für Leistungsspektrum (I)
12 Speicher für die ggf. Ausgleichskurve II
13 Speicher für ein positiv logarithm. Frequenzspektrum III
14 Mikroprozessor II
15 Schalter 2
16 Klassifikationsteil
17 Identifikationsteil
18 Anzeigeeinrichtung
19 Filter 2 ≧ 6 Hz
20 Filter 3 ≦ 60 Hz
21 Filter 4 für Verhältniswertprüfung
22 Schalter 3
23 Schalter 4
24 Schalter 5
25 Anzeigeeinheit "nicht Hubschrauber"
26 Schalter 6
27 Gedächtnisspeicher 1
28 Speicher VI
29 Filter 5 Haupt- zu Heckrotorverhältnis
30 Schalter 6
31 Schalter 7
32 Anzeigeneinheit 2 "Hubschrauber+Typ"
33 Alarmglocke mit Verzögerung
34 Bandpaß 0-1600 Hz
35 Speicher IV
36 Zählstufe 1

Claims (7)

1. Verfahren zur akustischen Identifikation und Klassifikation von Hubschraubern aufgrund ihres Haupt- zu Heckrotorfre­ quenzverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, daß Umgebungsschall wiederholt erfaßt wird und einer elektri­ schen Einrichtung, die ein mathematisches Modell enthält, zu­ geführt wird, welches die empfangenen akustischen Signale in die Frequenzebene transferiert und hieraus ein Leistungsspek­ trum erstellt und aus diesem durch Verschieben der Y-Achse einen positiven Betrag bildet, um durch dessen lokale Mittel­ werte eine Funktion A(f) zu legen, die sie dann vom Leistungs­ spektrum abzieht was zu einem Differenzleistungsspektrum führt, welches vom mathematischen Modell in einem nächsten Schritt transformiert wird zum multiplikativ gewichteten Frequenzdifferenzleistungsspektrum (mFD) aus dem die darin enthaltenen harmonischen Anteile des akustischen Spektrums ausgehend vom größten Spektralwert, vom Modell zur Er­ stellung eines Häufigkeitsdiagramms benutzt werden, in dem dann der höchste Amplitudenwert als Hauptrotorfre­ quenz bestimmt wird, zu der der zweithöchste Amplituden­ wert als Heckrotor ins Verhältnis gesetzt wird und zu diesem gebildeten Verhältnis aus einem gespeicherten Vor­ rat von typbezogenen Haupt- zu Heckrotorverhältnissen, ein pas­ sendes Verhältnis ermittelt und abhängig von einem gefundenen Verhältnis als Typ des aufgefaßten Hubschraubers angezeigt wird sowie zu dieser Identifikation in einem anderen Verfahrens­ schritt zusätzlich zur Klassifikation unterschiedlicher Schall­ erzeuger, auch ein Vergleich signifikanter Frequenzlinien aus dem multiplikativ gewichteten Frequenzdifferenzleistungsspek­ trum eines angemessenen Objektes, mit schon in einem Speicher vorhandener Werte bekannter Schallerzeuger stattfindet und das Ergebnis angezeigt wird.

2. Einrichtung zur akustischen Identifikation und Klassifikation von Hubschraubern aufgrund ihres Haupt- zu Heckrotorfrequenz­ verhältnisses, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus von Mikrocomputern gebildeten Funktionsstufen be­ steht, die jede für sich einen Teil eines mathematischen Mo­ dells enthalten und damit so gesteuert werden, daß das Ver­ fahren nach Anspruch 1 vollzogen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallaufnehmer über einem Schalter, der gesteuert ist vom Ergebnis einer Identifikation und/oder Klassifikation oder von einem Zeit- mit Taktgeber, an eine erste elektronische Funktionsstufe gekoppelt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Funktionsstufe die mit einem Signal eines Schallaufnehmers beaufschlagt wird, aus einem Mikro­ computer besteht, der aus den Funktionselementen Bandpaß, Stromrichter, Analog/Digitalwendler, Zeitgeber, Taktgeber, Mikroprozessor, Datenbus, einem Schalter im Ausgangsdaten­ bus aufgebaut ist und von einem in einem Speicher abgeleg­ ten Programm, welches die Funktionsstufe befähigt ein Lei­ stungsspektrum aus den empfangenen Schallwellen einer ange­ messenen Schallquelle, vorzugsweise im Bereich 0-1600 Hz, mit einer Auflösung von 1 Hz zu berechnen gesteuert wird und die programmgemäß das berechnete Leistungsspektrum über einen Schalter an eine folgende Funktionsstufe weiterleitet, wobei für dessen Berechnung und Auflösung wahlweise auch 0-800 Hz und 0,5 Hz Auflösung oder andere Werte gewählt werden können.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronischen Funktionsstufe nach Anspruch 4 eine wei­ tere elektronische Funktionsstufe folgt, die aus den elektroni­ schen Funktionselementen Mikroprozessor, Datenbus, Zeitgeber, Taktgeber, je einem Speicherplatz für das Leistungsspektrum, für die gefundene Ausgleichskurve und für ein positiv loga­ rithmisches Frequenzspektrum besteht, wobei die Funktionsstufe mittels eines in einem Speicher abgelegten Programms befähigt ist, das in einer ersten elektronischen Funktionsstufe nach Anspruch 4 berechnete Leistungsspektrum in positive Werte mit logarithmischer Skaleneinteilung des Y-Wertes umzurechnen und durch deren lokale Mittelwerte eine Funktion zu legen, um sie dann vom berechneten Leistungsspektrum abzuziehen und zu einem multiplikativ gewichteten Frequenzdifferenzleistungsspektrum zu transformieren, aus dem die enthaltenen harmonischen An­ teile, ausgehend vom größten Spektralwert, zur Erstellung eines Häufigkeitsdiagramms benutzt werden, das die elektro­ nische Stufe ebenfalls programmgesteuert in einem Speicher ablegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Funktionsstufe um einen Funktionsteil zur Hubschrauberidentifikation erweitert ist, der aus den zusätz­ lichen elektronischen Funktionselementen Gedächtnisspeicher für bekannte Haupt- zu Heckrotorverhältnisse, alpha-numerisches Display zur Anzeige, daß ein Hubschrauber erkannt wurde und um welchen Typ es sich handelt sowie einen Filter zur Prüfung der gefundenen Haupt- zu Heckrotorfrequenzverhältniswert auf den Wert kleiner/gleich 1,5 besteht und zum Vollzug einer Identi­ fikation eines aufgefaßten Objektes den Mikroprozessor der Funktionsstufe nach Anspruch 5 mittels eines zusätzlich in einem Speicher abgelegten Programms so steuert, daß ausgehend vom größten Spektralwert im multiplikativ gewichteten Fre­ quenzdifferenzleistungsspektrum (mFD) ein Häufigkeitsdiagramm 2ter Stufe gebildet wird und hieraus die beiden größten Häu­ figkeitsamplituden, die nicht zu ein und derselben Grund­ schwingung gehören (d. h. wo die zweite keine Harmonische der ersten ist) ermittelt werden und deren Amplitudenver­ hältnis mittels eines besonderen Filters auf die Einhaltung kleiner/gleich 1,5 überprüft wird und bei Filterung einen Schalter geöffnet wird um eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" anzusteuern bzw. im Fall der Nichtfilterung, daß das ermit­ telte Verhältnis mit, in einem Gedächtnisspeicher abgeleg­ ten Verhältnissen verglichen wird und bei Übereinstimmung den Identifikationsnamen aus dem Gedächtnisspeicher mittels einer Anzeige sichtbar werden läßt oder bei Nichtidentifi­ kation das bereits errechnete mFD Spektrum in einem weiteren Verarbeitungsschritt als positives logarithmisches Frequenz- Spektrum deklariert und noch einmal zum Vollzug des Verarbei­ tungsschrittes der Verhältnisbildung wiederholt und bei wie­ derholter Erfolglosigkeit die Anzeige "Nicht zu identifi­ zierender Hubschrauber" auslöst.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Funktionsstufe mit einem Funktionsteil um einen weiteren Funktionsteil zur Geräuschquellenklassifi­ zierung erweitert ist, der aus den zusätzlichen elektronischen Funktionselementen Filter für die Prüfung = 6 Hz, Filter für die Prüfung ≦ 60 Hz, Filter für die Verhältniswertprüfung der Werte 3, 3, 1,5 und einem in einem Speicher abgelegten Programm, welches den Mikroprozessor veranlaßt, aus dem mFD die Breite der größten Amplitude zu ermitteln und einen Schalter zu öff­ nen, so daß der Wert mittels eines Filters auf die Bedingung größer/gleich 6 Hz geprüft werden kann und bei Filterung eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" ausgelöst wird oder bei nicht Filterung der Mikroprozessor die Lage der größten Amplitude im mFD berechnet um diesen Wert in einem Filter auf die Be­ dingung kleiner/gleich 60 Hz zu prüfen bei Filterung eine An­ zeige "Nicht Hubschrauber" ansteuert oder bei nicht Filterung das der Mikroprozessor das Verhältnis der drei größten Ampli­ tuden des Intervalls (0-60) Hz des mFD-Spektrums bildet und in einem Filter die Verhältnisse 3, 3, 1,5 überprüft und im Fall der Filterung eine Anzeige "Nicht Hubschrauber" auslöst oder bei nicht Filterung des mFD-Spektrums an den Funktions­ teil nach Anspruch 5 zur Identifikation des Typs wie dort beschrieben.